高電壓輸入大電流輸出恒流源

楊磊，羊彥

（西北工業大學 陜西 西安 710129）

根據2004年國家建設部的統計結果，我國照明耗電大體占全國發電總量的10%-12%，是三峽水利發電工程全年發電量能力840億度的兩倍多，可以看出路燈照明的節能有很大的潛力，可以帶來相當可觀的社會與經濟效益。

隨著LED技術的迅猛發展，其發光效率的逐步提高，LED的應用市場將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場的前景更備受全球矚目，被業界認為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。

但是，由于LED燈存在著諸多技術瓶頸問題，使得這種“綠色照明”的高效節能、壽命長的優勢未充分發揮；特別是LED路燈，尚未完全被市場接受。因此，提高路燈的電壓輸入和提高LED路燈的效率已經是迫在眉睫，高電壓輸入大電流輸出恒流源很好的實現70 V以上高電壓輸入，2 A大電流輸出的，把電能利用效率提高到了91%以上。

1 恒流源的基本設計原理設計

恒流源模塊由：濾波電路、處理芯片、BUCK電路[1]、保護電路和反饋電路五部分組成，如圖1所示。

圖1 恒流源主要模塊Fig.1 Constant current source modules

其工作原理是：通過控制電路，控制位于主回路的MOS管，使其按要求對恒壓源[2]斬波，改變恒定周期中導通時間的長短，以達到恒流控制的目的。由于MOS管工作于開關狀態，且開關頻率低（約10 kHz），使得開關損耗較低，整體效率較高。通過設定HV9910B的RT電阻實現輸出電流的設定，再通過HV9910B控制buck電路輸出穩定的恒定電流。

模塊的主要作用是 2個方面：1）調整開關電源[3]送來的直流電壓，使LED燈工作于恒流狀態[4]；2）通過調整電壓的升、降，控制LED燈實現降額運行，達到控制路燈亮度的目的。

2 恒流源的具體設計

恒流源的具體設計如圖2所示。

2.1 兩種工作模式的選擇

圖2 設計原理圖Fig.2 Schematic design

HV9910B有恒定頻率模式及恒定關斷時間兩種模式，選擇何種模式取決于驅動器的輸出電壓VOUT（VLED）與輸入電壓VIN的比值。在降壓式架構中，VIN總是大于VOUT，其比值即占空比D=VOUT/VIN。若D＜0.5時，采用恒定頻率模式；若D＞0.5時，則采用恒定關斷時間模式。如果在D＞0.5時仍采用恒定頻率模式工作，驅動器將進入次諧波振蕩狀態，將會引起輸出電流下降及紋波電流增加的不穩定狀態。本電路采用HV9910B的恒定關斷模式，將設定關斷時間的電阻連接在RT和GATE之間。由于輸出輸入電壓比值大于0.5，所以采用了恒定關斷模式，選定開關恒定關斷時間為2μs。

2.2 規格要求

輸入電壓在70 V以上，輸出2.2 A恒定電流，恒流源負載為一定數量的串聯LED燈，輸出電壓穩定，恒流源芯片HV9910B的工作狀態時恒定關斷狀態[5]，即MOS管的管段時間恒為2μs，不同輸入電壓，恒流源芯片通過調節BUCK電路中開關MOSE管的占空比提供穩定的2.2 A電流輸出。

3 具體設計

3.1 關斷時間設定

toff=（1-Vo/VIN/fosc），輸入電壓為70 V以上，晶振頻率設定為 100 kHz，toff=2 μs。

3.2 晶振電阻RT設定

HV9910B中的振蕩器由連接在 RT引腳上的一個電阻控制。振蕩器的震蕩tosc時間由以下公式計算：tosc=（RT+22）/25，如果電阻連接在 RT和地之間，HV9910B工作在恒定頻率模式和上述公式確定的時間期限。如果電阻連接在RT和GATE之間，HV9910B工作在恒定關斷時間模式和上述公式確定的關斷時間，RT=28 k。

3.3 輸出電流

輸出電流可以公式：IO=0.25/（1.15×Rcs），當場效應管導通時，流過電感的電流開始增加，流過外部的感應電阻RCS并且在CS腳產生一個斜坡電壓。比較器不斷地將CS腳的電壓和LD腳的電壓以及內部250 mV電壓進行比較，一旦消隱計時器完成后，這些比較器的輸出被允許重新設置觸發器。當比較器的任意一個輸出變高，觸發器復位門輸出為低電平。門輸出一直為低電平直到振蕩器觸發SR觸發器。

4 BUCK輸出電路設計

輸出BUCK電路主要包括：MOSE管開關，快恢復二極管，電感和耐高壓的CBB電容，如圖3所示。

圖3 BUCK電路Fig.3 BUCK circuit

該電路中MOS開關要求導通電阻低，開啟時消耗能量小，熱量低，開啟時間在100 ns以內。二極管400 V反向電壓，具有8 A的正向電流通過能力，最大反向恢復時間小于50 ns。由于輸出電流高達2.2 A，所以選擇的電感L1本身最大電流要大于 3 A，電感的大小用：L=Vnom（1-D）Ts/2IO計算，輸出電路中均采用了具有損耗極低，介質吸收系數低，絕緣電阻高，頻率特性好，自愈性優異，穩定性高特點的高穩定性的400 V CBB335電容，確保輸出電壓和電流的穩定性。

5 實驗現象

把恒流源連入電路，在恒定2.2 A的電流下，根據不同電壓輸入占空比示波器測開關MOSE管兩端的開關占空比，得到的結果如圖4、圖5所示。

圖4 70V輸入電壓MOSE管開關占空比波形Fig.4 70V input voltage MOSE tube switch duty cycle waveform

圖5 85V輸入電壓MOSE開關占空比波形Fig.5 85V input voltage MOSE switching duty cycle waveform

在不同輸入電壓情況下，從開關MOSE管的占空比波形圖可以看出，在不同輸入電壓情況下，開關MOSE管的關斷時間是恒定的2μs。恒流源芯片，通過改變開關MOES管的開通時間來控制占空比，從而使輸出電流為恒定的2.2 A，輸出負載LED燈輸出電壓恒定，所以根據輸入電壓的不同，恒流源可以改變MOSE管占空比，保持恒定的2.2 A電流輸出，實驗結果完全符合設計要求。

6 結 論

LED電路照明單燈恒流可以很好的實現穩定，節能的功效。文章介紹了恒流源[6]的主要結構、原理以及具體功能模塊，并且得出了實現結果，實現了2.2 A恒定電流輸出，通過實現結果數據計算效率高達91%以上，并且恒流源散熱性能優良，大范圍溫度條件下穩定工作，完全符合工業技術要求，應用于路燈照明電路將會節能降耗和節約經濟成本。

[1]耿曉靜.開關電源中磁性元件的設計 [D].西安：西北工業大學 2011.

[2]王國華，王鴻麟，羊彥，等.便攜式電子設備電源管理技術[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3]陳傳虞，劉明，陳家幀.LED驅動芯片原理與電路設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]毛興武，毛涵月，毛佳寧，等.LED照明驅動電源與燈具設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[5]陳浩，席光，劉勝.一種精確調光的LED電源設計[J].電源技術，2011，2（35）:218-220.CHEN Hao，XI Guang，LIU Sheng.Design of a precise dimmer of LED power source[J].Power Technology，2011，2（35）:218-220.

[6]Sanjaya Maniktala.精通開關電源設計[M].北京：人民郵電出版社，2008.